Architektura Systemów Komputerowych

Paweł Pełczyński

ppelczynski@swspiz.pl

Program przedmiotu

� Struktura i zasada działania prostego systemu mikroprocesorowego

� Operacje wykonywane przez mikroprocesor i tryby adresowania

� Przerwania, kontroler przerwań, DMA

� Ważniejsze układy peryferyjne

� Obsługa pamięci dyskowej

� Rozwój magistral w komputerach klasy IMB PC

� Rozwój architektur systemów komputerowych

� Systemy wieloprocesorowe

Literatura

� J. Biernat, „Architektura komputerów”, Wyd. Politechniki

Wrocławskiej, 2002 lub 1998.

� P. Metzger, „Anatomia PC”, WNT Warszawa 2006.

� B. S. Chalk, „Organizacja i architektura komputerów”, WNT Warszawa, 1996.

Czym jest komputer?

Wikipedia: "Maszyna posiadająca zdolność

wykonywania dowolnego programu jest

nazywana uniwersalną maszyna Turinga.

Praktyczną realizacją uniwersalnej Maszyny

Turinga jest komputer"

Cechy komputera

� Zdolność przetwarzania danych (wykonywania obliczeń)

� Programowalność – rodzaj wykonywanego zadania wyznacza program, a nie budowa komputera

� Uniwersalność – przeznaczenie komputera nie musi być znane podczas projektowania jego architektury, a jest definiowane przez wykonywany program

� Sekwencyjny (szeregowy) sposób pracy – w danym momencie jest wykonywana tylko jedna instrukcja(Ta zasada jest prawdziwa jedynie dla prostych komputerów, zbudowanych zgodnie z tzw. architekturą Von Neumanna)

Obszary zastosowań komputerów

� Obliczenia

� Wspomaganie projektowania (CAD)

� Sterowanie procesami i urządzeniami

� Wspomaganie zarządzania

� Banki (bazy) danych, wyszukiwanie informacji...

� Grafika

� Przetwarzanie sygnałów i obrazów

� Rozrywka: gry, muzyka, filmy itd...

Historia rozwoju komputerów

� Wraz z powstaniem pasterstwa i rozwojem form wymiany towarów pojawiła się potrzeba liczenia.

� Dla ułatwienia prowadzenia obliczeń i pamiętania ich wyniku zaczęto stosować różnorodne pomoce, np. kamyki, liczenie na palcach, symbole reprezentujące liczby.

Historia rozwoju komputerów

� 300 p.n.e. – Liczydło (Abakus)

� ok. 1500 – Projekt kalkulatora Leonarda Da Vinci

� 1623 – Wilhelm Schickard buduje pierwszy mechaniczny kalkulator

Historia rozwoju komputerów

� 1804 – Programowalne krosno Jacquarda

� 1820-40 – Charles Babbagekonstruuje szereg programowalnych, mechanicznych maszyn liczących

Historia rozwoju komputerów

� 1854 – George Booleopracowuje algebręstanowiącą formalizacjępraw logiki

� 1936 – Alan Turing definiuje maszynę zdolnądo realizacji dowolnego algorytmu

� 1945 – John von Neumannopracowuje szeregowąarchitekturę komputera

Źródło fotografii:

http://pl.wikipedia.org

Historia rozwoju komputerów

� 1948 – ENIAC – pierwszy komputer elektroniczny (18tys. Lamp elektronowych, 30 ton)

� Lata 50-te XXw. –zastosowanie tranzystorów do budowy komputerów

� Lata 60-te XXw. –zastosowanie układów scalonych

Historia rozwoju komputerów

� 1971 – Pierwszy mikroprocesor: Intel4004(4-bitowy)

� 1978 – Pierwszy mikroprocesor 16-bitowy: Intel8086 (Zastosowany w pierwszych komputerach IMB PC XT)

� 1995 – ENIAC-on-a-chip, 7,4x5,3mm

� 2000 – PENTIUM IV

Sposoby reprezentacji liczb

� Systemy reprezentacji używaneprzez człowieka

Źródło: http://www.sciaga.pl

Sposoby reprezentacji liczb

� Liczby i inne dane w technice cyfrowej(w komputerach) najłatwiej jest reprezentować za pomocą ciągów symboli zero-jedynkowych.

� Ograniczenie zbioru symboli do dwóch wynika z łatwości realizacji dwóch wartości napięcia na wyjściu układów cyfrowych:

- „0” – napięcie bliskie potencjałowi masy

- „1” – napięcie bliskie napięciu zasilania

Struktura prostego systemu mikroprocesorowego

Mikroprocesor

Pamięć

Układy wejścia,

wyjścia (I/O)

Magistrala danych

Magistrala adresowa

Magistralasterująca

Magistrala

Zbiór linii (przewodów) elektrycznych realizujących

jedną funkcję, np.: dostarczanie adresu komórki do pamięci, danych do mikroprocesora, itp..

Pamięć – idea budowy układów pamięciowych

Przerzutnik - układ elektroniczny posiadający dwa stany

stabilne

Przerzutnik ma zdolność pamiętania jednego bitu danych, podstawowej jednostki informacji

Symbol przerzutnika typu RS

Q/Q

S R

Pamięć – uład pamiętający pojedynczą liczbę

Rejestr n-bitowy

D0

D1

Q0

D2

Dn-1 Qn-1

Q1

Q2

CLK

…

Pamięć - zbiór N rejestrów

R0

R1

R2

RN-1

…

Pamięć: wybór zapisywanego rejestru - adresowanie

R0

R1

R2

RN-1

Dekoderadresów

n bitówna

1 z N …

WR

Adres

Dane

Pamięć: odczyt danych z wybranego rejestru

R0

R1

R2

RN-1

Dekoderadresów

n bitówna

1 z N …

RD

Adres

Dane

Syste

m b

ufo

rów

trójs

tan

ow

ych

–ele

ktro

nic

zn

ych

łączn

ikó

w

Pamięć – kompletny układ

R0

R1

R2

RN-1

Dekoderadresów

n bitówna

1 z N …

WR

RD

CS

Adres

Dane

Organizacja i pojemność pamięci

� Organizacja pamięci – szerokość słowa – liczba bitów w pojedynczym rejestrze (adresowanej komórce pamięci), przykłady pamięci:1-bitowa, 4-bitowa, bajtowa, 16-bitowa,… 128-bitowa

� Pojemność pamięci – liczba rejestrów w układzielub liczba bajtów. N komórek pamięci może być zaadresowane za pomocą słowa n-bitowego(szerokość magistrali adresowej), gdzie:

N=2n

Klasyfikacja pamięci

� Pamięć o dostępie swobodnym RAM (RandomAccess Memory):- SRAM,- DRAM, SDRAM, DDR RAM

� Pamięć tylko do odczytu (Read Only Memory):- ROM,- PROM,- EPROM,- EEPROM, FLASH

Pamięć statyczna RAM (SRAM)

� Przechowuje informację do kiedy jest zasilana

� Do zapamiętania jednego bitu danych są potrzebne min. 4 tranzystory

� Jest stosunkowo droga

Komórka pamięci SRAM

źródło: http://www.bryk.pl

Pamięć dynamiczna RAM (DRAM)

� Wymaga cyklicznego

odświeżania zawartości

� Do zapamiętania jednego bitu

danych jest potrzebny jedynie

jeden tranzystor i kondensator

� Jest tania

Komórka pamięci DRAM

źródło: http://www.bryk.plModuł pamięci SDRAM

źródło: http://pl.wikipedia.org

Pamięci ROM – tylkodo odczytu w systemie

� ROM – zawartość zapisana

w procesie produkcji w postaci

maski

� PROM – jednokrotny zapis w

specjalnym programatorze

� EPROM – zapis wielokrotny,

kasowanie za pomocą

promieniowania ultrafioletowego

� EEPROM – możliwość

wielokrotnego nadpisywania

danych w systemie (kasowanie

elektryczne)

� FLASH – podobnie jak

EEPROM, ale kasowanie całymi

blokami

Pamięć EPROM (z oknem kwarcowym)

źródło: http://pl.wikipedia.org

Układy wejścia/ wyjścia (I/O)

Realizują komunikację mikroprocesora ze światem zewnętrznym

Komunikacja odbywa się za pośrednictwem zbioru rejestrów, z którymi procesor wymienia dane podobnie jak z komórkami pamięci